李立男 于代林

摘要：介紹了冶金行業(yè)給煤系統(tǒng)的工藝流程，針對(duì)目前給煤系統(tǒng)存在的缺陷，設(shè)計(jì)了一套自動(dòng)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用PLC技術(shù)將燒結(jié)廠噴煤系統(tǒng)與可編程控制器相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了給煤系統(tǒng)的自動(dòng)化控制。

關(guān)鍵詞：噴煤系統(tǒng);自動(dòng)控制系統(tǒng);方案設(shè)計(jì)

0 引言

在冶金行業(yè)燒結(jié)過(guò)程中，原煤由上煤系統(tǒng)送入磨煤機(jī)，研磨成煤粉，經(jīng)除塵系統(tǒng)除去浮塵后，由稱量系統(tǒng)按自動(dòng)或手動(dòng)給定的上煤量，經(jīng)噴吹系統(tǒng)噴入燒結(jié)設(shè)備。

回轉(zhuǎn)窯最初采用的燃料主要是天然氣、重油或油氣，燃燒過(guò)程中需要二次空氣，空氣主要來(lái)源于冷卻機(jī)，燃燒溫度在1 000 ℃左右。近些年來(lái)，隨著原油價(jià)格的增長(zhǎng)，所用燃料逐步改用煤。由于在燒煤過(guò)程中，回轉(zhuǎn)窯、燒結(jié)機(jī)容易產(chǎn)生結(jié)圈現(xiàn)象，因此必須選擇合適的煤種并采用復(fù)合燒嘴，在回轉(zhuǎn)窯燒煤過(guò)程中，還需要注意控制回轉(zhuǎn)窯煤粉的粒度（<0.074 mm）、火焰形狀以及回轉(zhuǎn)窯供給煤粉的用量等。

給煤系統(tǒng)的工藝流程主要包括上煤系統(tǒng)、磨煤系統(tǒng)、噴煤系統(tǒng)3個(gè)部分。

（1）上煤系統(tǒng)：原煤通過(guò)圓盤給料機(jī)，經(jīng)上煤皮帶，送入雙齒輥原料破碎機(jī)，初次破碎后，再通過(guò)轉(zhuǎn)運(yùn)皮帶送入磨煤機(jī)，其間需要注意上煤皮帶上應(yīng)設(shè)有電磁檢測(cè)器，并在自動(dòng)設(shè)計(jì)中和上煤皮帶聯(lián)鎖，防止原煤中參雜的雷管等爆炸物被點(diǎn)燃爆炸。

（2）磨煤系統(tǒng)：把上煤系統(tǒng)送來(lái)的碎煤送入磨煤機(jī)，磨成合格煤粉后送入除塵系統(tǒng)，除去浮塵后，送入緩沖料倉(cāng)備用。其間需注意在自動(dòng)連鎖啟動(dòng)磨煤機(jī)前，要先啟動(dòng)磨煤機(jī)的潤(rùn)滑油泵系統(tǒng)，防止磨煤機(jī)的機(jī)械損壞。

（3）噴煤系統(tǒng)：把料倉(cāng)中的煤粉按照自動(dòng)或手動(dòng)給煤量，通過(guò)環(huán)狀天平稱得重量，作為反饋信號(hào)，參與自動(dòng)控制，同時(shí)利用風(fēng)機(jī)將煤粉吹入送煤管道中。

送煤管道中的送煤量，即送入燒結(jié)設(shè)備的送煤量要保持相對(duì)穩(wěn)定。在焙燒作業(yè)過(guò)程中，由于人工操作的不可控性，很難準(zhǔn)確保證送入燒結(jié)設(shè)備的送煤量在一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的范圍內(nèi)，如果送煤量波動(dòng)較大，焙燒作業(yè)穩(wěn)定性就會(huì)大大降低，因此，研制噴煤自動(dòng)控制系統(tǒng)，對(duì)于有效提高焙燒作業(yè)的運(yùn)行穩(wěn)定性具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

1 方案設(shè)計(jì)

當(dāng)前PLC技術(shù)發(fā)展已經(jīng)十分成熟，PLC與上位計(jì)算機(jī)集中控制，具有連線方便、價(jià)格低廉、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn);利用PLC，將現(xiàn)場(chǎng)各個(gè)設(shè)備的運(yùn)行連鎖信號(hào)，在CPU內(nèi)進(jìn)行軟件連鎖設(shè)計(jì)，根據(jù)環(huán)狀天平實(shí)時(shí)采集的上煤量與設(shè)定的上煤量差值大小，控制變頻器的模擬輸出值，實(shí)現(xiàn)對(duì)變頻器輸出功率的控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)上煤量的調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)恒定控制，同時(shí)通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)，將其與上位機(jī)聯(lián)結(jié)，可以極大地簡(jiǎn)化系統(tǒng)，提高工作效率。

為了提高系統(tǒng)可靠性，在本次設(shè)計(jì)過(guò)程中背板采用支持熱插拔的背板，此外現(xiàn)場(chǎng)還需要設(shè)計(jì)手動(dòng)操作箱，以保證該系統(tǒng)在各種情況下都能夠正常運(yùn)行。

自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)采用矢量控制的變頻器作為調(diào)節(jié)上煤量的控制手段。在選擇變頻器時(shí)，決定半導(dǎo)體變頻裝置負(fù)載能力的關(guān)鍵參數(shù)只有變頻器的額定電流。選擇變頻器時(shí)，負(fù)載電流小于變頻器額定電流。在同樣運(yùn)行狀態(tài)下，電動(dòng)機(jī)用變頻器供電要比電網(wǎng)供電電流大，所以選擇變頻器時(shí)，其額定電流或功率要比電動(dòng)機(jī)大一個(gè)等級(jí)，一般為變頻器額定功率PNV≥1.1電動(dòng)機(jī)額定功率PN。

如果設(shè)計(jì)過(guò)程中選用PID調(diào)節(jié)器，在設(shè)置升、降速時(shí)間時(shí)應(yīng)該盡量短一些，以免直接影響由PID調(diào)節(jié)器決定的動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程。在本文設(shè)計(jì)方案中，PID調(diào)節(jié)器由SIEMENS CPU315支持的FB41功能塊提供。

在本系統(tǒng)中，上煤系統(tǒng)、磨煤系統(tǒng)、噴煤系統(tǒng)根據(jù)各自從屬關(guān)系分為3個(gè)獨(dú)立子系統(tǒng)，由計(jì)算機(jī)獨(dú)立控制，除塵系統(tǒng)根據(jù)實(shí)際情況分別從屬于以上3個(gè)系統(tǒng)，分別參與各系統(tǒng)自動(dòng)連鎖。

上煤系統(tǒng)、磨煤系統(tǒng)屬于順控系統(tǒng)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況編程，并將各設(shè)備報(bào)警功能引入計(jì)算機(jī)便于崗位監(jiān)控。噴煤系統(tǒng)直接與燒結(jié)設(shè)備的溫度控制連鎖，內(nèi)部又分為兩部分，獨(dú)立進(jìn)行PID調(diào)節(jié)：（1）負(fù)責(zé)檢測(cè)燒結(jié)設(shè)備溫度的熱電偶將溫度信號(hào)通過(guò)模擬量模塊送入CPU 315，與計(jì)算機(jī)設(shè)定的溫度進(jìn)行差值比較，由其內(nèi)部的PID調(diào)節(jié)器計(jì)算出上煤量（其間要適當(dāng)考慮助燃風(fēng)機(jī)的鼓風(fēng)流量及CO濃度）。（2）由環(huán)狀天平得出的重量與PID調(diào)節(jié)器計(jì)算出的上煤量進(jìn)行差值計(jì)算，由CPU 315內(nèi)部的PID調(diào)節(jié)器FB41計(jì)算出變頻器的給定頻率。兩者均要設(shè)好適當(dāng)?shù)乃绤^(qū)范圍，以消除頻繁動(dòng)作引起的振蕩。FB41要根據(jù)實(shí)際情況設(shè)好系統(tǒng)掉電復(fù)位后的初始值。同時(shí)兩者均要設(shè)好上、下限，以免影響生產(chǎn)的正常進(jìn)行。

在連續(xù)生產(chǎn)中，直接數(shù)字控制系統(tǒng)（DDC系統(tǒng)）所采用的控制算法應(yīng)以PID算法為主，這種算法對(duì)動(dòng)態(tài)響應(yīng)緩慢的對(duì)象具有良好的調(diào)節(jié)作用，利用該方法進(jìn)行PID控制器參數(shù)的整定步驟：（1）首先預(yù)選擇一個(gè)時(shí)間足夠短的采樣處理周期;（2）僅加入比例控制環(huán)節(jié)，直到系統(tǒng)對(duì)輸入的階躍響應(yīng)出現(xiàn)臨界振蕩，記下這時(shí)的比例放大系數(shù)和臨界振蕩周期;（3）在一定條件和控制度下，可以通過(guò)公式計(jì)算的方法得到PID兩種微控制器的參數(shù)。

考慮到系統(tǒng)停機(jī)檢修后需重新升溫，其間溫度根據(jù)工藝要求，升溫曲線分為幾段，這時(shí)可選擇計(jì)算機(jī)畫(huà)面上的自動(dòng)/手動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，手動(dòng)控制噴煤量，以滿足工藝要求，待生產(chǎn)穩(wěn)定后，再轉(zhuǎn)換為自動(dòng)控制模式。

當(dāng)噴煤系統(tǒng)停機(jī)時(shí)，最后關(guān)閉吹煤風(fēng)機(jī)，并利用CPU的延時(shí)繼電器延時(shí)幾分鐘，防止余煤堵在管道中。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)不僅要求具有給煤系統(tǒng)自動(dòng)控制功能，按照要求還要保證控制室給煤系統(tǒng)的各種設(shè)備能正常運(yùn)行，各種設(shè)備的儀表信號(hào)運(yùn)行情況以及控制室的相關(guān)工藝流程等數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳送到給煤控制室，進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，同時(shí)給煤系統(tǒng)還能夠完成報(bào)表、統(tǒng)計(jì)、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)瀏覽等其他功能。為了完成上述功能，本系統(tǒng)采用基于德國(guó)西門子PLC的SCADA控制方案，控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

本系統(tǒng)選擇西門子S7300 系列PLC 315-2DP CPU作為主控制器，安裝在低壓配電室;選用5塊ET200M模塊作為遠(yuǎn)程I/O模塊，分別實(shí)現(xiàn)對(duì)3個(gè)系統(tǒng)的監(jiān)控（根據(jù)車間現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況可進(jìn)行擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)新添加設(shè)備的自動(dòng)控制），CPU與遠(yuǎn)程I/O之間通過(guò)Profibus-DP接口進(jìn)行通信，通信速率選為187.5 kbps即可。

磨煤系統(tǒng)由兩臺(tái)磨煤機(jī)組成（一工一備），由SIEMENS的S7 214 CPU控制，通過(guò)I/O接點(diǎn)與主PLC連接。

噴煤系統(tǒng)由兩套由變頻器控制的圓盤給料機(jī)和環(huán)狀天平及風(fēng)機(jī)組成，風(fēng)機(jī)管道出口由鎖風(fēng)閥控制噴煤系統(tǒng)噴煤。

變頻器選取富士公司的FRENIC P11S系列變頻器。

在控制室配置操作計(jì)算機(jī)1臺(tái)。計(jì)算機(jī)底板上安裝CP16131通信板卡，該通信板卡與PLC上選用的CP343通信處理模塊通過(guò)以太網(wǎng)交換機(jī)（SIEMENS OSM 61）進(jìn)行信息交互。軟件方面采用SIEMENS WINCC工控組態(tài)軟件，實(shí)時(shí)顯示工藝流程和工藝參數(shù)，并能夠監(jiān)控生產(chǎn)情況，同時(shí)還具有查詢歷史曲線、報(bào)警、參數(shù)設(shè)置、報(bào)表統(tǒng)計(jì)等功能。

Switch可與主控室、車間主任室、車間設(shè)備調(diào)度通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)連接，從而使車間管理層及時(shí)準(zhǔn)確了解車間基層的生產(chǎn)、管理及設(shè)備運(yùn)行情況。

3 結(jié)語(yǔ)

目前給煤系統(tǒng)的自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案已在某燒結(jié)廠得到成功應(yīng)用，PID溫度調(diào)節(jié)穩(wěn)定可靠，能夠滿足生產(chǎn)需求，此外基于Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線的SCADA系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)明顯，具有良好的經(jīng)濟(jì)性，因此本系統(tǒng)具有極大的推廣應(yīng)用價(jià)值。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 曾毅，王效良，吳皓，等.變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與維護(hù)[M].濟(jì)南：山東科學(xué)技術(shù)出版社，1999.

[2] 邵裕森，巴筱云.過(guò)程控制系統(tǒng)及儀表[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1993.

收稿日期：2020-05-06

作者簡(jiǎn)介：李立男（1978—），男，遼寧鞍山人，工程師，研究方向：自動(dòng)化控制。